Med sin förmåga att utnyttja kvantmekanikens märkliga krafter, qubits är grunden för potentiellt världsförändrande teknologier – som kraftfulla nya typer av datorer eller ultraexakta sensorer.

Qubits (förkortning för quantum bits) är ofta gjorda av samma halvledande material som vår vardagliga elektronik. Men ett tvärvetenskapligt team av fysiker och kemister vid University of Chicago och Northwestern University har utvecklat en ny metod för att skapa skräddarsydda qubits:genom att kemiskt syntetisera molekyler som kodar kvantinformation till deras magnetiska, eller "snurra, " stater.

Denna nya bottom-up-strategi kan i slutändan leda till kvantsystem som har extraordinär flexibilitet och kontroll, hjälpa till att bana väg för nästa generations kvantteknik.

"Detta är ett proof-of-concept av en kraftfull och skalbar kvantteknologi, sa David Awschalom, Liew familjeprofessor i molekylär teknik vid Pritzker School of Molecular Engineering (PME), som ledde forskningen tillsammans med sin kollega Danna Freedman, professor i kemi vid Northwestern University. "Vi kan utnyttja teknikerna för molekylär design för att skapa nya system i atomär skala för kvantinformationsvetenskap. Att föra samman dessa två samhällen kommer att bredda intresset och har potential att förbättra kvantavkänning och beräkning."

Resultaten publicerades 12 november i tidskriften Vetenskap .

Qubits fungerar genom att utnyttja ett fenomen som kallas superposition. Medan de klassiska bitarna som används av konventionella datorer mäter antingen 1 eller 0, en qubit kan vara både 1 och 0 samtidigt.

Teamet ville hitta en ny bottom-up-metod för att utveckla molekyler vars spinntillstånd kan användas som qubits, och kan lätt kopplas till omvärlden. Att göra så, de använde organometalliska krommolekyler för att skapa ett spinntillstånd som de kunde kontrollera med ljus och mikrovågor.

Genom att excitera molekylerna med exakt kontrollerade laserpulser och mäta ljuset som emitteras, de kunde "läsa" molekylernas spinntillstånd efter att ha placerats i en superposition - ett nyckelkrav för att använda dem i kvantteknologier

Genom att bara variera några olika atomer på dessa molekyler genom syntetisk kemi, de kunde också modifiera både sina optiska och magnetiska egenskaper, lyfter fram löftet om skräddarsydda molekylära qubits.

"Under de senaste decennierna, optiskt adresserbara spinn i halvledare har visat sig vara extremt kraftfulla för applikationer inklusive kvantförstärkt avkänning, sade Awschalom, som också är chef för Chicago Quantum Exchange och chef för Q-NEXT, en Department of Energy National Quantum Information Science Research Center ledd av Argonne National Laboratory. "Att översätta fysiken i dessa system till en molekylär arkitektur öppnar en kraftfull verktygslåda av syntetisk kemi för att möjliggöra ny funktionalitet som vi bara har börjat utforska."

"Våra resultat öppnar upp ett nytt område inom syntetisk kemi. Vi visade att syntetisk kontroll av symmetri och bindning skapar qubits som kan åtgärdas på samma sätt som defekter i halvledare, ", sa Freedman. "Vårt tillvägagångssätt nedifrån och upp möjliggör både funktionalisering av enskilda enheter som 'designer qubits' för målapplikationer och skapandet av arrayer av lätt kontrollerbara kvanttillstånd, erbjuder möjligheten till skalbara kvantsystem."

En potentiell tillämpning för dessa molekyler kan vara kvantsensorer som är designade för att rikta in sig på specifika molekyler. Sådana sensorer kan hitta specifika celler i kroppen, upptäcka när maten förstörs, eller till och med upptäcka farliga kemikalier.

Denna nedifrån-och-upp-strategi skulle också kunna hjälpa till att integrera kvantteknik med befintlig klassisk teknik.

"Några av de utmaningar som kvantteknologier står inför kan kanske övervinnas med denna mycket annorlunda bottom-up-strategi, " sa Sam Bayliss, en postdoktor i Awschalom-gruppen vid University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering och medförfattare på tidningen. "Att använda molekylära system i ljusemitterande dioder var ett transformativt skifte; kanske något liknande kan hända med molekylära qubits."

Daniel Laorenza, en doktorand vid Northwestern University och medförfattare, ser en enorm potential för kemisk innovation på detta område. "Denna kemiskt specifika kontroll över miljön runt qubiten ger en värdefull funktion för att integrera optiskt adresserbara molekylära qubits i ett brett spektrum av miljöer, " han sa.